第二章透射电子显微镜结构

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,透射电子显微镜概述,1,透射电子显微镜,(TEM,简称,透镜,),是以波长极短,(10,-2,),的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。它由电子光学系统,(,镜筒,),，电源和控制系统,(,包括电子枪高压电源，透镜电源，控制线路电源等,),和真空系统等部分组成。,光 路,：,镜筒是显微镜放大成像的核心部分，它的光路原理与透射型式的光学显微镜十分相似，如图所示。本章主要介绍各部分的作用原理。,透镜常用热阴极电子枪来获得电子束作为照明源。热阴极,(,如加热发夹形钨丝,),发射的电子在阳极加速电压的作用下，高速地穿过阳极孔，被聚光镜会聚成很细的电子束照明样品。由于电子穿透能力很弱，样品要求做得很薄，如,20OO,左右（甚至,10OO,）。透过样品的电子束强度取决于样品微区的厚度、平均原子序数、晶体结构或位向的差别，经过物镜聚焦放大在其像平面上形成一幅反映样品微观特征的高分辨的透射电子像。然后再经,中间镜,和,投影镜,进一步放大，投射到荧光屏上，透射电子的强度分布转换为人眼直接可见的光强度分布，或由照相底片感光记录，从而得到一幅具有一定衬度的高放大倍数的图像。,垂直结构,：为了确保显微镜的高分辨本领，镜筒要有足够的刚度，一般做成直立积木式结构，顶部是电子枪，接着是聚光镜、样品室、物镜、中间镜和投影镜，最下部是荧光屏和照相装置。这样的结构既便于固定，又利于真空密封。,透射电子显微镜概述,2,级 别,：镜筒的复杂程度主要取决于显微镜的综合性能。,简 易,透射电子显微镜：,(,分辨本领劣于,50,),只有两个透镜。即物镜和投影镜；,普 通,性能透射电子显微镜,(,分辨本领,20,一,50,),有四个透镜，即单聚光镜、物镜、,中间镜、投影镜和相应的机械式或电磁式对中装置；,高性能,透射电子显微镜,(,分辨本领优于,10,，,2),有,5,6,个,(,甚至,7,个,),透镜，即双聚,光镜、物镜、第一及第二中间镜、投影镜和比较完善的机械式或电磁式,对中装置。,图,2,，,3,，分别是,机械式对中,和,电磁式对中的,透射电子显微镜镜筒剖面图。,目前绝大多数透射电子显微镜都是电磁透镜式的，操作十分方便。只要转动旋钮，就可以方便地改变相应透镜的激磁电流，改变照明电子束强度和照明孔径角,;,改变放大倍数或聚焦。,样品台控制,：,利用装在镜筒外的样品移动杆，控制样品在一个精确的平面上平移，以选择不同的视域供观察、记录。高性能透射电子显微镜还配备了精密的倾斜样品台，在观察过程调节薄晶体样品相对于电子束倾斜一定的角度,(,最大可达,45,0,或,60,0,),以获得最佳的衬度以及在不同位向下的有用资料。,透射电子显微镜概述,3,高真空度,：为了确保电子枪电极间电绝缘；防止成像电子在镜筒内受气体分子碰撞而改变运动轨迹，减小样品污染，镜筒内接触电子束的部分均需保持高真空，一般优于,10-5,10-7,(,1,=1mmHg),高分辨,：在现有的各种型式显微镜中，透射电子显微镜性能最高，点分辨本领优于,3,5,，晶格分辨本领可达,12,，放大倍数高达数十万倍。而超高分辨本领的透射电子显微镜还能直接显示固体晶格像和结构像，甚至可以用来观察重金属,原子像,。,超高压透镜,：六十年代以来由于超高压,(,加速电压,5003000kV),透射电子显微镜的发展，使可观察样品的厚度提高到微米级，而且还改善了图像的分辨率和衬度，引起了包括金属材料及工艺在内的许多部门的重视。,透射电子显微镜结构,透射显微镜构造原理和光路,透射电子显微镜,透射光学显微镜,透射电子显微镜,日立,H-800,透射电子显微镜,日立,H-800,U=200KV,r,0,4.0,M=600,000,位错及基体结构相,位错及基体结构相,位错,纳米材料,透镜相机,一、照明系统（电子光学系统）,一、照明系统（电子光学系统）,电子枪：提供,稳定,的电子照明源,聚光镜（二级、有光栏）：束斑,2,m,物镜及偏转线圈,(STEM),：束斑,8.0,0.1,m,1,、电子枪,提供,稳定,的电子照明源,提供,稳定,的电子照明源,电子枪示意图,电子枪自偏压回路,电子枪自偏压回路,自偏压线路,（负反馈）,：如图所示，给栅极提供比阴极,负几百伏,至近千伏的偏压。整个电子枪可以看作三极静电透镜。当阴极电位和阴极高度,(,阴极尖端至栅极孔距离,),一定时电极间的电位分布主要取决于栅极电位，使阴极尖端发射电子的区域限制在,100 x150 m,。如果由于阴极加热电流或阴极本身的电阻变化导致发射,电子束流的变化,。自偏压回路将自动地改变栅极的偏压，调整阴极尖端发射电子区城的大小，使电子流的发射趋向稳定的饱和值。,第一交叉点,：,这种三极静电透镜系统对阴极发射的电子束还起着,聚焦,作用，在阳极孔附近形成一个直径,5Om,左右的,第一交叉点,，即通常所说的电子源。,2,、聚光镜,高性能透射电子显微镜都采用,双聚光镜,照明系统，如图所示。,第一聚光镜：,强,激磁透镜：，缩小率为,1050,倍左右，将电子枪,第一交叉点像缩小为,1-5m,。,第二聚光镜：,弱,激磁透镜，适焦时放大倍数为,2,倍左右。结果在,样品平面上可获得,2-10m,的照明电子束斑，,在第二聚光镜与物镜之间有足够的空间来安放样品台和其它附件。,由于第二聚光镜是弱激磁透镜，像差较大，必须借助于第二,聚光镜光阑,(,典型孔径为,100,、,200,、,500m),和,消像散器,来降低球差，消除像散。若将第二聚光镜散焦可以得到几乎平行的、相千性好的照明电子束，以满足,电子衍射和衍衬成像,的需要。,聚光镜照明系统 光路,3,、,垂直照明和倾斜照明,垂直照明,：,即照明电子束轴线与成像系统轴线合轴，适用于,明场成像,;,倾斜照明,：,即照明电子束轴线与成像系统轴线成一定夹角,(,一般,2,0,-3,0,),，适用于,暗场成像,。,目前新型透射电子显微镜均采用电磁偏转器来调节，如图所示。从明场到暗场成像转换迅速而准确。,照明中心保持不变,：如果上、下偏转线圈对照明电子束偏转角大小相等，但方向相反，只引起照明电子束平移，平移距离,s,h,。如果下偏转线圈对电子束的偏转角比上偏转线圈大，例如,，那么相对于成像系统来说，照明电子束轴线倾斜了,角。,当,h,1,/h,2,，时，照明中心保持不变。,电磁偏转器原理,电磁偏转器原理,二、成像系统,透射电子显微镜成像系统一般由三个,(,组,),透镜，,即,物镜,、,中间镜,和,投影镜,组成。,1,、物镜、中间镜和投影镜,2,、高放大倍数成像,3,、中放大倍数成像,4,、低放大倍数成像,成像系统光路,三级高倍成像,三级中倍成像,二级低倍成像,第一级实像,中间镜,1,物镜、中间镜和投影镜,物 镜,是最关键的，用来形成第一幅高分辨电子像或电子衍射花样的透镜。一台透射电子显微镜分辨本领的高低，主要取决于物镜。因为物镜的任何缺陷都将被成像系统中其它透镜进一步放大。欲获得物镜的高分辨本领必须尽可能降低像差。通常采用强激磁、短焦距,(1.5-3mm),的物镜，像差小。还借助于物镜光阑,(,典型孔径,100,、,75,、,50,、,25m),和消像散器来进一步降低球差、消除像散、提高分辨本领。,中间镜,是一个弱激磁的长焦距变倍透镜，可以在,0,20,倍范围调节。当放大倍数大不,1,时，用来进一步放大物镜像,;,当放大倍数小于,1,时，用来缩小物镜像。,为了确保成像系统足够高的放大倍数，,投影镜,应提供尽可能大的放大倍数。它是一个强激磁、短焦距透镜，将中间镜像放大并投射在荧光屏或照相底片上。,由于高性能透射电镜的分辨本领提高到了优于,2,一,4,的水平，相应的有效放大倍数高达,60,一,100,万倍，因此出现了具有两个,中间镜,、两个,投影镜,的五级成像系统，以适应不同放大倍数情况下电子像和电子衍射花样的观察和记录,2,、高放大倍数成像,一般情况下，五级透镜成像系统可以获得高达六十万倍左右的电子像。,物镜,成像于中间镜之上，,中间镜,以物镜,像,为,物,，成像于投影镜之上；,投影镜,以中间镜,像,为,物,，成像于荧光屏或照相底片上，其光路如图,a,所示。,3,、中放大倍数成像,在三级透镜成像系统中，如果适当改变物镜激磁强度，使物镜成像于中间镜之下,;,中间镜以物镜像为“虚物”，将其形成为缩小的实像于投影镜之上,;,投影镜以中间镜像为物，成像于荧光屏或照相底片上。结果获得几千至几万倍的电子像，其光路如图,b,所示。,4,、低放大倍数成像,（,Low Mag.,模式）,解决低倍成像的最简便方法是减少透镜的数目或放大倍数。,例如关闭物镜，减弱中间镜激磁强度，使中间镜起着长焦距物镜的作用，成像于投影镜之上。,投影镜以中间镜,像,为,物,，成像于荧光屏上，获得,100300,倍、视域较大的图像，为,选择、确定,高倍观察,区域,提供方便。,三、样品台,透射电子显微镜样品既小又薄，外径,3mm,1,、真实样品,2,、铜网支持的复型,3,、粉末、粒子（需铜网支持）如图所示。,样品台的作用是承载样品，并使样品平移、倾斜、旋转，以选择感兴趣的样品区域域值向进行观察分析。,通常需用的铜网有许多网孔,(,如,200,目方孔或圆孔,),。,通常在两个相互垂直方向上样品平移最大值为,1mm,顶插式双倾斜样品台,B,侧插式单倾斜样品台,样品台,H-800,双倾台,样品台,H-800,双倾台,样品台,H-800,双倾台,样品台,H-800,双倾台,四、真空系统,RP+DP,RP,：机械泵，,10,-2,-10,-3,DP,：扩散泵（硅油），,10,-5,10,-7,1,=1mmHg,真空系统,RP:,机械泵，,10,-2,-10,-3,真空系统,DP,：扩散泵,（硅油），,10,-5,10,-7,五、稳压系统,10,-5,以上,